【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于智能機器人材料，具體涉及一種電熱驅動型人工肌肉的制備方法。
技術介紹
1、目前隨著生物仿生技術、醫療設備、軟體機器人以及復雜地形勘測等領域快速發展，傳統剛性驅動器存在自由度少、缺乏靈活性、無法適應復雜的環境，以及制造保養成本高、人機共處安全性差等問題，因此研究人員迫切需要開發出新型的柔性驅動器。
2、人工肌肉是指在受到外部物理或化學激勵后會改變其形狀，并當激勵消失后恢復到原來形狀的材料或裝置。其驅動方式主要為壓力驅動、電驅動、熱驅動以及化學驅動等。因其具有控制簡單、能量密度高、功率密度高、高靈活性以及柔軟性被認為最有潛力的驅動器之一。
3、纖維狀人工肌肉因具有高功率密度、大驅動形變、高靈活性、低遲滯性和長壽命等優點備受關注。從最初的碳納米管和氧化石墨烯等人工無機纖維，到尼龍、聚乙烯、氨綸等高分子纖維，再到天然高分子纖維如蜘蛛絲、蠶絲、棉花纖維等作為原材料。尼龍纖維作為一種廉價高強度的聚合物纖維，將一段尼龍纖維進行加捻至臨界直線狀態時，可通過繼續加捻制備出纏繞型尼龍人工肌肉，也可將加捻過后的尼龍纖維卷繞至一定直徑的芯棒上制備出卷繞型尼龍人工肌肉，隨后進行退火定型即可。通過將尼龍纖維進行加捻，內部定向排列的纖維被不斷地拉長并傾斜，由于尼龍是具有負熱膨脹系數的材料，當溫度升高，內部被拉長的纖維發生收縮，從而帶動整段纖維發生旋轉。當纏繞(或卷繞)方向與加捻方向一致時，溫度升高時人工肌肉收縮；當方向相反時，溫度升高會發生擴張現象。
4、尼龍人工肌肉通常使用電熱、水熱或電化學加熱的方法進行改
5、cn111702751a公開了一種尼龍卷繞式人工肌肉的制作裝置及方法，該專利技術中的人工肌肉纖維是由鎳鉻合金絲和尼龍纖維共纏繞制成。cn115948835b公開了一種基于熱驅動人工肌肉纖維材料制備縮脹紗線的工藝，該專利技術是由一根金屬微絲和多根尼龍絲共加捻所制成。二者都可通過在人工肌肉兩端施加一定電壓，產生焦耳熱實現電熱驅動，但電熱金屬絲無法完全覆蓋尼龍人工肌肉表面，驅動過程中熱量分布不均可能導致人工肌肉驅動應變下降。
6、cn112201744a公開了一種電致伸縮的螺旋卷繞人工肌肉的制備及應用。該專利技術由鞘層(碳納米管薄膜)和內芯(尼龍纖維)所構成，通過對鞘層進行施加電壓，實現電熱驅動。雖然碳納米管是非常優秀的熱驅動材料，具有優異的導電性和機械性能，同時解決了驅動過程中熱量分布不均勻的問題，但因其價格昂貴，不利于大規模的商業應用。
7、cn116276939a公開了一種快速響應的熱驅動螺旋卷繞型人工肌肉。cn116533226a公開了一種電驅動型人工肌肉的制備方法。兩者都為了獲得良好的電熱驅動性能，同時降低電熱人工肌肉的成本，分別采用銀鍍層和鉑鍍層作為電熱驅動層，但兩者都為貴金屬，不利于大規模的工業生產。
技術實現思路
1、為了克服現有技術的缺點和不足，本專利技術目的在于提供一種電熱驅動型人工肌肉的制備方法。通過本專利技術的方法制備的人工肌肉能夠以較低的工作電壓實現可逆驅動，并具有較好的收縮性能以及循環穩定性。本專利技術的方法降低尼龍人工肌肉制備成本。
2、本專利技術的目的通過以下技術方案實現。
3、一種電熱驅動型人工肌肉的制備方法，包括以下步驟：
4、s1、將尼龍纖維進行加捻，當纖維發生自卷繞形成第一個線圈時，立即停止加捻，得到極限直線狀態的尼龍纖維；將極限直線狀態的尼龍纖維進行卷繞，卷繞的方向與加捻的方向一致；將卷繞形成的尼龍線圈在真空的狀態下進行退火成型，獲得人工肌肉纖維；
5、s2、將人工肌肉纖維進行粗化，敏化，活化處理，獲得處理的人工肌肉纖維；
6、s3、將處理的人工肌肉纖維進行化學鍍ni/cu/sn復合金屬層；
7、s4、將鍍有復合金屬層的人工肌肉纖維在140～160℃下進行退火處理40～60min，獲得電熱驅動型人工肌肉。
8、步驟s3的具體步驟為
9、s3-1：將處理的人工肌肉纖維進行化學鍍ni處理；化學鍍ni溶液：niso4·6h2o?26～30g/l，nah2po2·h2o?22～28g/l，c6h5na3o7·3h2o(檸檬酸鈉)25～40g/l，ch4n2s(硫脲)1～2g/l，ch3coona?11～14g/l，ph值為4.8～5.0；化學鍍ni處理的條件為85～90℃下化學鍍4-6min；
10、s3-2：將化學鍍ni后的人工肌肉纖維進行化學鍍cu；化學鍍cu溶液為：cuso4·5h2o10～19g/l，niso4?9～15g/l，nah2po2·2h2o?75～80g，c6h5na3o7·3h2o(檸檬酸鈉)30～35g/l，h3bo3?35～40g/l，na2edta?10～15g/l；化學鍍cu的條件為50～65℃下化學鍍5～10min；
11、s3-3將化學鍍ni/cu后的人工肌肉纖維進行化學鍍sn，化學鍍sn溶液為：snso4?30～35g/l，h2so4?42～48ml/l，ch4n2s(硫脲)45～55g/l，nah2po2·2h2o70～75g/l，edta?1g/l；化學鍍sn的條件為35～40℃下化學鍍1～10min。
12、所述將極限直線狀態的尼龍纖維進行卷繞是指在負載下纖維卷繞到卷曲的狀態并且纖維卷繞不斷裂；具體，將極限直線狀態的尼龍纖維進行卷繞是指在負載下纖維卷繞到臨界捻度。
13、所述卷繞是指將極限直線狀態的尼龍纖維一端固定負載，將纖維另一端固定在卷繞裝置上，將卷繞裝置固定在水平電機上，啟動電機，帶動纖維與加捻方向一致卷繞在卷繞裝置上，卷繞結束后將纖維另一端固定在卷繞裝置上。如：負載重量為500～1000g，當負載重量為500g，臨界捻度為382轉/米。
14、步驟s1中退火成型的條件：退火的溫度滿足高于人工肌肉纖維最大的驅動溫度，并低于其熔點。具體，步驟s1中退火成型的條件為真空狀態下180℃退火處理85～95min。
15、所述加捻是指將尼龍纖維一端連接到垂直電機，另一端懸掛重物并不隨電機轉動，防止尼龍纖維在加捻過程中發生解捻；啟動電機對尼龍纖維進行加捻，當纖維發生自卷繞形成第一個線圈時，立即停止加捻，得到臨界直線狀態的尼龍纖維。
16、具體地，將尼龍纖維兩端分別固定在兩個回形針上，頂部連接到電機，底部懸掛重量，底部回形針穿過一根鋼絲，防止尼龍纖維在加捻過程中發生解捻。啟動電機沿一個方向對尼龍纖維進行加捻，當纖維發生自卷繞形成第一個線圈時，立即停止加捻，得到臨界直線狀態的尼龍纖維。
17、步驟s2中所述粗化是指將人工肌肉纖維在粗化液中進行粗化處理：粗化液的配方為h2so4?10％～18％(體積)、ch3cooh?20％～30％(體積)；粗化處理的條件：20～40℃下粗化10～30s；
18、所述敏化是指將粗化的纖維在敏化液中本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種電熱驅動型人工肌肉的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述電熱驅動型人工肌肉的制備方法，其特征在于：
3.根據權利要求1所述電熱驅動型人工肌肉的制備方法，其特征在于：步驟S1中所述將極限直線狀態的尼龍纖維進行卷繞是指在負載下纖維卷繞到卷曲的狀態并且纖維卷繞不斷裂；
4.根據權利要求3所述電熱驅動型人工肌肉的制備方法，其特征在于：
5.根據權利要求1所述電熱驅動型人工肌肉的制備方法，其特征在于：步驟S2中所述粗化是指將人工肌肉纖維在粗化液中進行粗化處理：粗化液的配方為H2SO4?10％～18％、CH3COOH?20％～30％；粗化處理的條件：20～40℃下粗化10～30s；
6.根據權利要求1所述電熱驅動型人工肌肉的制備方法，其特征在于：粗化前，將人工肌肉纖維除油清洗即室溫條件下，將纖維浸泡在乙醇中10～20min，取出并用水沖洗干凈，自然晾干。
7.根據權利要求1所述電熱驅動型人工肌肉的制備方法，其特征在于：
8.根據權利要求1所述電熱驅動型人工肌肉的制備方法，其特征
9.一種由權利要求1～8任一項所述制備方法得到的電熱驅動型人工肌肉。
...【技術特征摘要】
1.一種電熱驅動型人工肌肉的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述電熱驅動型人工肌肉的制備方法，其特征在于：
3.根據權利要求1所述電熱驅動型人工肌肉的制備方法，其特征在于：步驟s1中所述將極限直線狀態的尼龍纖維進行卷繞是指在負載下纖維卷繞到卷曲的狀態并且纖維卷繞不斷裂；
4.根據權利要求3所述電熱驅動型人工肌肉的制備方法，其特征在于：
5.根據權利要求1所述電熱驅動型人工肌肉的制備方法，其特征在于：步驟s2中所述粗化是指將人工肌肉纖維在粗化液中進行粗化處理：粗化液的配方為h2so4?10％～18％、ch3cooh?20％～30％；粗化處理的條件：20～40℃下粗化10...
【專利技術屬性】
技術研發人員：穆松林，李煒聰，張果戈，杜軍，樊雨欣，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：
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